Communications Security in SNA

El número de salidas de la línea es proporcional al número de descargas que golpean la línea. Siguiendo esta idea, a medida que mayor es la ocurrencia de tormentas eléctricas, mayor es la probabilidad que ocurra una falla por descargas atmosféricas.

El nivel ceráunico corresponde a la frecuencia de incidencia de descargas de rayos en una localidad específica medida a través de los años, también se puede definir como el número de días tormentosos al año en el cual fue oído un trueno. Se requiere de un periodo largo de mediciones ya que se trata de datos estadísticos; esto permitirá tener predicciones más confiables para el futuro [4].

A pesar de ser sencillo y depender del oído de los observadores, es una fuente importante de investigación de cómo afectan los rayos a las líneas de transmisión aéreas. Sin embargo, es de mayor información conocer la densidad de descargas definida por la cantidad de rayos por kilómetro cuadrado por año.

Existen países, como el caso de Chile, en los cuales este parámetro no se utiliza de mayor forma o directamente no existe, hasta ahora, un conteo de los rayos en la superficie. Es por este motivo que Cigre desarrolló un contador de descargas a tierra y se basa en el cambio de campo eléctrico local producido por un rayo [20]. Usando los resultados de tales contadores, investigadores han intentado desarrollar fórmulas empíricas para relacionar los rayos a tierra Ng con el nivel ceráunico Nk.

Un ejemplo de estas fórmulas es la desarrollada por A.J. Eriksson [21], la cual es la recomendada para la zona cercana a Sudáfrica:

𝑁𝑔 = 0.04 ∗ 𝑁_𝑘1.25 𝑟𝑎𝑦𝑜𝑠

𝑘𝑚2_{∗ 𝑎ñ𝑜} (2.6)

Los valores que entregan estas fórmulas son sólo una indicación válida para una región con cierto nivel ceráunico, aunque también influyen otros factores como la ionización y el tipo de relieve, entre otros.

2.4.2.2. Magnitud de las corrientes de rayo

Según Cigre, las torres de alturas menores a 100 metros son menos propensas a recibir una descarga negativa. Para estructuras sobre 100 metros la probabilidad de recibir una descarga de este tipo no excede el 10% [4].

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Se considera que 35 kA es el valor medio recomendado para corrientes de rayo, sin embargo, las magnitudes promedio de corrientes varían según la región donde se produzcan e incluso pueden depender de la altura en las que ocurren.

2.4.2.3. Descargas directas e indirectas

Sobretensiones producidas por rayos en las líneas de transmisión se relacionan con el punto de incidencia de la descarga. Según lo anterior, estas se clasifican en [4]:

- Sobretensiones inducidas que ocurren cuando el rayo alcanza la tierra cerca de la línea

- Sobretensiones con falla de apantallamiento que ocurren cuando el rayo golpea los

conductores de fase

- Sobretensiones producidas por flameo inverso que ocurren cuando el rayo golpea el

conductor de apantallamiento o la torre

Las sobretensiones raramente exceden los 600 kV y en líneas de transmisión sobre 90 kV, son prácticamente despreciables debido a que su aislación usualmente es mayor a 600 kV.

En el caso de una descarga directa en el conductor, la corriente se divide en dos, siguiendo ambas direcciones de la línea. El valor de la sobretensión es calculado entonces [4]:

𝑈𝑐 = 1

2∗ 𝐼 ∗ 𝑍𝑐

(2.7)

Donde 𝑍𝑐 es la impedancia del circuito. La onda de sobretensión tiene una forma similar a la de la

corriente, por lo que puede verse afectada por la propagación, reflexiones en los terminales y por el efecto corona.

Un flameo en el aislador puede o no ocurrir dependiendo del nivel de aislación de la línea, sin embargo, frecuentemente se menciona que un flameo ocurre si [4]

𝑈𝑐+ 𝑈𝑝𝑓≥ 𝑈50% (2.8)

Donde 𝑈𝑐 es la sobretensión provocada por la descarga, 𝑈𝑝𝑓 es el valor instantáneo de la tensión a

frecuencia industrial (50 Hz en el caso de Chile) y 𝑈50% es el valor crítico de flameo del aislador

con la misma polaridad que la onda de impulso.

Por todo lo anterior se hace necesario entonces tener una buena disposición de los conductores de apantallamiento para que así el rayo sólo golpee en estos conductores o el terreno circundante. El flameo inverso se produce cuando la descarga golpea el conductor de apantallamiento. Cuando la corriente de la descarga es evacuada a la tierra a través de la torre, se origina una sobretensión que es función directa de la resistencia de puesta a tierra y de la impedancia de la torre, en el caso que esta sobretensión se combine con el voltaje de la red, excediendo el nivel de aislación de la línea, se producirá un flameo entre torre y conductor. Siguiendo lo anterior, la resistencia de tierra de la torre es un parámetro importante en el cálculo de la sobretensión de la torre y se expresa con la fórmula [4]

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𝑈𝑚= (1 − 𝑘) ∗ (𝑍𝑚∗ 𝐼 + 𝐿𝑚∗𝑑𝐼 𝑑𝑡)

(2.9)

Donde Um es la sobretensión de la torre expresada en kV, Zm es la impedancia de puesta a tierra de la torre como función de la resistencia de tierra (en ohm), Lm es la inductancia propia de la torre, I es la corriente de la descarga en kA y k es el factor de acoplamiento entre los conductores de tierra y los conductores.

2.4.5.1. Disposición del cable de guarda

Como se mencionó anteriormente en este capítulo, un buen diseño del apantallamiento ayudará a proteger la línea de transmisión de las descargas atmosféricas. En este punto se mencionarán diferentes métodos para determinar la ubicación apropiada para el cable de guarda.

2.4.5.1.1. Ángulo de Apantallamiento

Para establecer la posición del cable de guarda respecto a los conductores de fase se debe determinar el ángulo de apantallamiento, el cual corresponde al máximo ángulo formado por la vertical y la recta que une el cable de guarda con el conductor de fase, como se ve en la Ilustración 2.11, donde el ángulo de apantallamiento es 39°:

Ilustración 2.11 Representación del Ángulo de Apantallamiento [4]

El ángulo de apantallamiento puede ser positivo o negativo según la ubicación de los cables de guarda respecto a los conductores de fase. Esto se puede observar en la Ilustración 2.12.

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Ilustración 2.12 Tipos de Ángulo de Apantallamiento [4]

Para determinar el ángulo de apantallamiento existen diferentes métodos, sin embargo, todos sugieren que el cable de guarda debe ubicarse sobre los conductores de fase. Los métodos pueden agruparse en clásicos y modernos.

2.4.5.1.2. Métodos clásicos

Los métodos clásicos son métodos de simple implementación y se basan en criterios geométricos, sólo con fundamentos obtenidos de su aplicación, éstos a su vez se dividen en métodos basados en el ángulo de apantallamiento y métodos basados en arcos circulares [4].

Los métodos basados en el ángulo de apantallamiento establecen áreas de protección en forma de cono, que quedan delimitadas por rectas definidas por un ángulo de apantallamiento específico. Los dos criterios mayormente usados son el Criterio de Wagner & McCann, con un ángulo de apantallamiento de 30° y el Criterio de Charles, con un ángulo de apantallamiento de 45°; el segundo tiene una tasa de falla mayor ya que, debido al ángulo de 45°, permite instalar el cable de guarda a una distancia menor que los conductores de fase [4]. Esto se puede observar en la Ilustración 2.13.

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Ilustración 2.13 Diferentes Ángulos de Apantallamiento [4]

Los métodos de arcos circulares, en vez de encontrarse limitados por líneas rectas, se encuentran delimitados por arcos de circunferencia. Los criterios más usados son el Criterio de Schwaiger (Ilustración 2.14) y el Criterio de Langrehr (Ilustración 2.15) [24]; el primero propone una zona de protección delimitada por un cuarto de circunferencia con radio igual a la altura del cable de guarda, en cambio el Criterio de Langrehr, propone una zona de protección delimitada por un cuarto de circunferencia con radio igual al doble de la altura del cable de guarda.

Cada uno de estos criterios presenta una ecuación característica, de las cuales se obtiene la altura de ubicación del cable de guarda

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Ilustración 2.15 Criterio de Langrehr [4]

2.4.5.1.3. Métodos Modernos

Los métodos modernos, a diferencia de los métodos clásicos, están basados en modelos experimentales y teóricos del rayo, lo que permite ubicar el cable de guarda teniendo en consideración un número definido de salidas de la línea.

La posición del cable de guarda se realiza considerando que existe una probabilidad que se produzca una falla de apantallamiento. La corriente de descarga y el ángulo de apantallamiento determinan la probabilidad que el rayo impacte el suelo, el cable de guarda o un conductor de fase.

A cada rayo que caiga sobre una línea le corresponde una corriente pico. Existe una Corriente Crítica la cual es la corriente pico mínima para producir flameo en los aisladores, también existe la Corriente Máxima de Falla de Apantallamiento, la cual corresponde a un valor máximo de corriente pico, sobre la que no se producirá falla de apantallamiento [4].

En caso que la corriente de un rayo sea menor a la crítica, puede impactar contra el conductor de fase, por lo que esto puede provocar falla de apantallamiento. En caso que la corriente pico de una descarga supere la corriente máxima de falla de apantallamiento no impactará el conductor, es decir, impactará contra el cable de guarda o contra el suelo.

Para obtener el límite inferior del rango de corriente se debe realizar sólo un análisis a las características eléctricas de la línea, sin embargo, para el límite superior se debe realizar un análisis geométrico dependiente del modelo de enlace de rayo.